双轴受压下再生混凝土氯离子扩散规律

应敬伟，钱邵同，覃盛昆,3

(1. 广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004； 2. 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西南宁 530004； 3. 广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验室,广西南宁 530004)

0 引 言

随着经济的发展，许多城市产生了大量的废弃建筑物，造成了环境污染[1]。砌筑新的建筑物需要消耗更多的天然骨料，废弃建筑垃圾的回收再利用成为了一个亟待解决的问题。将建筑垃圾破碎后作为再生骨料来利用在一定程度上减轻了环境污染[2]。目前，建筑垃圾资源化成为国家层面的重点研究方向。这些政策与方案的提出将会为中国建筑垃圾资源的绿色循环发展注入新的动力。

再生骨料混凝土是指取代部分或全部天然骨料，按相应的级配和比例制得的混凝土。由于再生骨料表面附着老砂浆，使得再生混凝土有着比天然混凝土更为复杂的界面过渡区，从而导致了再生骨料混凝土表现出较差的力学性能和耐久性能[3]。钢筋锈蚀是引起混凝土破坏的主要原因，而氯离子侵蚀又是导致钢筋锈蚀的主要因素，因此研究混凝土抗氯盐侵蚀性能对混凝土结构的耐久性具有重要的现实意义。

目前有很多学者研究了再生混凝土的抗氯离子渗透性能。在相同的水灰比下，天然混凝土的抗氯离子渗透性能要优于再生混凝土[4]。随着再生骨料取代率的增加，再生混凝土抗氯离子渗透性能下降[5-7]。应敬伟等[8]通过灰色关联度定量分析得出，相较于掺合料和混凝土龄期，水灰比对再生混凝土抗氯离子的抗氯离子渗透性能影响程度更大。上述研究的再生混凝土抗氯离子渗透性能都是在无荷载作用下进行的，随着研究的深入，部分学者对持续压荷载作用下混凝土的抗氯离子渗透性能进行了研究。整体而言，天然混凝土和再生混凝土的相对氯离子扩散系数(当前应力状态下的氯离子扩散系数与无应力状态下的氯离子扩散系数的比值)随着压应力的增加均先减小后增大。与天然混凝土临界应力水平普遍在0.3相比[9-13]，再生混凝土的临界应力水平为0.5～0.6[14]。Wang等[14]研究了单轴持续压荷载作用下再生混凝土的抗氯离子渗透性能。结果表明，相较于天然混凝土，再生混凝土在临界应力水平下的氯离子扩散系数下降更明显，说明再生混凝土对压荷载的敏感性更高。目前绝大部分研究都局限于单轴压荷载，由于双轴压荷载与氯盐耦合作用下的复杂性，公开的文献中仅有个别研究者涉及这一领域。洪雷等[10]研究了双轴预压荷载对高性能混凝土抗氯离子渗透性能的影响，他采用ASTM C1202快速试验方法，利用自制加力架对立方体试件(100 mm×100 mm×100 mm)进行不同等级的加载；加载后再卸载进行切割打磨成标准试件(100 mm×100 mm×50 mm)，之后进行电通量试验。结果表明：在竖向压荷载作用下，当侧向压荷载低于30%极限荷载时，随着侧向压荷载增加，混凝土抗氯离子渗透性增强；当侧向压荷载高于30%极限荷载时，随着侧向压荷载增加，混凝土抗氯离子渗透性减弱。尽管洪雷等[11]研究了双轴压荷载与氯盐耦合，然而仅限于预压荷载而非持续压荷载，而且没有说明施加的横向和纵向压荷载具体数值使得混凝土抗氯离子渗透性最佳。Cheng等[17]尽管研究了双轴持续应力作用下混凝土抗氯离子渗透性能，得到了氯离子扩散系数关于横向和侧向应力水平的关系式，但是该试验中渗透方法采用自然扩散法，该方法试验周期较长，且最大应力水平仅为0.3，得到的关系式不适用于高应力水平下的预测。

本文利用自制的试验装置研究了再生混凝土在双轴持续压荷载作用下氯离子渗透性能，并建立了双轴受压荷载下混凝土氯离子扩散系数关于应力水平的理论模型。

1 材料和配合比设计

试验采用的水泥标号为P.O42.5的海螺牌普通硅酸盐水泥，细骨料采用细度模数为3.16的天然河砂，天然粗骨料(NCAs)的粒径为5～20 mm的石灰岩碎石。通过破碎实验室废弃混凝土试块(母体混凝土)获得再生粗骨料。

母体混凝土水灰比依次为0.4，0.5和0.6，对应的粗骨料依次为RCA-0.4，RCA-0.5和RCA-0.6。再生粗骨料的粒径为5～20 mm。细骨料及3种粗骨料的颗粒级配均满足《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52—2006)的要求，骨料级配曲线如图1所示。按照体积法进行混凝土配合比设计，其中砂石体积比均为0.68，且天然粗骨料和再生粗骨料均为饱和面干状态。母体混凝土的配合比及抗压强度如表1所示。根据规范测试的各骨料物理性能如表2所示。新浇筑的混凝土配合比及抗压强度如表3所示。所有试件均在标准养护室(温度为20 ℃±3 ℃，相对湿度为95%以上)中养护28 d。本次试验中总共浇筑了2种类型的混凝土试件。其中，100 mm×100 mm×100 mm的试块用于立方体抗压强度测试，100 mm×100 mm×50 mm的长方体试块用于荷载作用下的氯离子渗透性能测试。

图1 骨料级配

2 测试过程

为了实现双轴受压荷载下混凝土氯离子快速测试，设计并制作了图2所示试验装置，其中双轴压缩加载装置由钢垫板、钢板反力架、滑轮、液压千斤顶等部件组成，钢板反力架材质为42CrMo高强度磨具钢，制作精度小于0.05 mm，能够使整个系统保持足够的强度和刚度，加载垫板由激光切割低强度不锈钢板并抛光制成，便于应力传递，激光切割精度误差在0.05 mm以内。压荷载由液压缸提供。试验前，用标准压力试验机对液压缸的荷载与油压之间关系进行标定。

表1 母体混凝土的配合比及抗压强度Tab.1 Mix Proportion and Compressive Strength of Parent Concrete

表2 骨料的物理性能Tab.2 Properties of Aggregate

表3 混凝土的配合比及抗压强度Tab.3 Mix Proportion and Compressive Strength of Concrete

图2 双轴受压下氯离子渗透试验装置

在本研究中，X方向和Y方向的应力比σx∶σy分别为1∶0，1∶1，1∶2。任意一个垂直于受压面的法线方向为X方向，另一个相互垂直的方向为Y方向。加载示意图见图2(a)。X方向和Y方向压应力分别为σx=Fx/A和σy=Fy/A，其中Fx和Fy分别为氯离子在混凝土中渗透时混凝土试块的X方向压力和Y方向压力，A为混凝土试块横截面的面积。定义σx/fc和σy/fc分别为X方向应力水平和Y方向应力水平，其中fc为混凝土不同应力比对应的强度，取值如表4所示。

一般情况下，当单轴压应力达到混凝土强度的75%时[18]，混凝土内部界面过渡区和基体之间的裂缝容易搭接连通，因此，在本研究中应力水平取值不超过0.75。

表4 不同应力比对应的强度Tab.4 Strength Corresponding to Different Stress Ratios

快速氯离子迁移装置由阴极溶液槽和阳极溶液槽、大型溶液储存槽、导管、潜水泵以及直流电源等部件组成。由于试验过程中会产生大量热量和气体，试块两侧的电极溶液槽设置了多个孔用于溶液进出和排气，大型溶液储存槽里面的潜水泵可以使得溶液里面的浓度均匀分布且有利于循环降温。为了防止在试验时溶液出现渗漏，先用打磨机对养护到规定龄期的试块进行表面磨平处理。参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082—2009)和Tang等[19]的标准试验方法并结合加载装置，进行荷载作用下电加速氯离子迁移测试，测试时所配置溶液和加载电压均与该规范相同，主要区别在于：①试块横截面形状由圆形变为正方形以便于加载；②试块倾斜角度由大约25°变为90°以便于排气；③试块在荷载作用下进行氯离子渗透测试。此外，为了验证改进后的氯盐渗透装置的可靠性，在不施加荷载时，分别利用标准RCM测试仪器(由北京耐尔得公司制造)和本试验装置对不同配合比的混凝土进行对比测试，结果如图3所示。

图3 不同试验装置氯离子扩散系数对比

由图3可知，本试验装置的测试结果普遍略高于RCM标准装置的结果，这可能由于2种装置自身差异和混凝土内部非均质性造成的，但总体趋势基本一致，说明本试验装置的测试结果比较可靠。另外，由于混凝土水灰比较高，2种装置测试得到的氯离子扩散系数也较高。由于压汞法(MIP)测试过程较为简单、快速，且孔径测量范围广，已被广泛用于表征多孔材料的孔隙结构[20-21]。在本研究中，采用压汞法获取混凝土的孔隙结构。

压汞试验采用的仪器是Micrometrics AutoPore IV 9500(American Michael Instruments Corp,USA)，该仪器的最大压力高达206 700 kPa，测试的孔径范围从6 nm到302 μm。混凝土属于包含天然骨料、水泥砂浆在内的非均质材料，压汞法的原理是将样品假定为均质材料来计算样品的孔隙结构。为了减少粗骨料造成混凝土孔隙结构分布离散性的影响，本研究中分别选取混凝土中新砂浆和再生骨料中老砂浆进行微观孔隙结构测试。其样品制作过程为：首先将编号为NAC，RAC-1，RAC-2和RAC-3的混凝土切割成厚度约5 mm的薄片，并从多个位置分离出新砂浆和老砂浆，把它们分别汇总后作为试样。每组试样的质量大约20 g，并用无水乙醇浸泡处理，以防止继续水化。浸泡处理后在60 ℃的烘箱中真空干燥。压汞法测试过程为：每次称量约5 g干燥后的样品(精确至0.001 g)，放入准备好的膨胀计中密封，称取膨胀计和试样的总质量，然后把膨胀计放进压汞仪中分别进行低压和高压分析，如图4所示。

图4 孔隙结构测试过程

3 结果与讨论

3.1 混凝土中新老砂浆的孔隙结构

为了研究混凝土微观结构对氯离子扩散系数的影响，利用压汞仪获取了混凝土中新砂浆和老砂浆孔径大小、孔隙率和孔径分布等，并以此来表征它们的孔隙结构参数，如图5所示。

图5 新老砂浆的孔隙结构参数

由图5(a)可知，混凝土中砂浆的孔隙结构分布随着其水灰比的变化而变化。OM-0.6的进汞曲线先缓慢增加再迅速增大，NM-0.5和OM-0.4的进汞曲线均缓慢增加。这说明母体混凝土水灰比越大，破碎后得到的再生骨料中老砂浆越疏松，但是当母体混凝土的水灰比为0.4时，破碎母体混凝土得到的老砂浆的孔隙率反而比新砂浆低，这说明破碎低水灰比的母体混凝土可以生产出更为密实的再生骨料。

根据孔径对混凝土耐久性的影响程度，可以将混凝土中的孔隙划分为无害孔(孔径0～20 nm)、少害孔(孔径20～50 nm)、有害孔(孔径50～200 nm)和多害孔(孔径大于200 nm)[22]。由图5(b)可知，新砂浆和不同水灰比的老砂浆无害孔的孔隙率变化不大，老砂浆中的有害孔及多害孔的孔隙率随着母体混凝土水灰比的增加而增加。老砂浆中的总孔隙率随着母体混凝土水灰比的增加而逐渐变大。对于相同的水灰比，老砂浆的孔隙率大于新砂浆的孔隙，这可能由于破碎过程中在砂浆内部形成了更多的微裂纹和微孔隙，导致相同水灰比的老砂浆比新砂浆更加疏松[23]，如图6所示。

图6 破碎前后附着老砂浆孔隙变化

OM-0.4的孔隙率小于NM-0.5，说明由破碎低水灰比的母体混凝土而得到的老砂浆依然具有较低的孔隙率，即由降低水灰比导致孔隙率的降低效应大于破碎母体混凝土过程中产生的缺陷效应。OM-0.5和OM-0.6的有害孔对应的孔隙率明显大于新砂浆NM-0.5和老砂浆OM-0.4的，这说明提高母体混凝土的水灰比对破碎后的老砂浆有不利影响，这是由于混凝土中更多的有害孔更容易导致氯离子渗透，进而对混凝土结构造成不利影响。

在本研究中，定义毛细孔隙率为介于孔径30～10 000 nm之间的孔隙体积分数[24]。为了探究毛细孔隙率与氯离子扩散系数之间的关系，通过试验得到了混凝土的氯离子扩散系数与混凝土中老砂浆和新砂浆毛细孔隙率的关系，如图7所示。

由图7可以看出，再生混凝土的氯离子扩散系数随着它们内部老砂浆孔隙率的增加而变大，天然骨料混凝土的氯离子扩散系数明显低于再生混凝土。这可能是因为天然混凝土比再生混凝土少了老砂浆，老砂浆会产生大量新的界面过渡区和微裂缝[25]。

图7 混凝土中砂浆氯离子扩散系数随着毛细孔隙率的变化

3.2 持续双轴受压荷载作用下再生混凝土抗氯离子渗透性能

在荷载作用下，2个方向的应力比组合方式及对应的氯离子扩散系数如表5所示。从表5可以发现，对于NAC，RAC-1，RAC-2和RAC-3，随着X方向和Y方向应力水平的增大，氯离子扩散系数最大分别降低了15%，12.5%，12.5%和13%。另外，在相同的双轴受压应力水平下，混凝土RAC-1，RAC-2和RAC-3比混凝土NAC的氯离子扩散系数更大，且RAC-1，RAC-2和RAC-3的氯离子扩散系数依次增加。这是因为与天然骨料混凝土相比，再生混凝土有更多界面过渡区和更高的孔隙率，再生骨料中老砂浆的孔隙率也随着母体混凝土水灰比的增加而变大，这一点通过图5的压汞试验得到证明。根据应力比的对称性，利用插值法将表5中的数据进行曲面拟合后，得到了混凝土氯离子扩散系数随着X方向和Y方向的应力水平变化的等高线图，如图8所示。

由图8可知，对于天然骨料混凝土NAC和不同类型的再生混凝土RAC-1，RAC-2和RAC-3，在持续双轴受压荷载作用下，混凝土氯离子扩散系数随着X方向和Y方向应力水平的变化而变化，且其变化趋势普遍呈现一个下凹曲面形状。4种类型混凝土产生的下凹曲面略有不同，其中RAC-3所对应的下凹曲面凹陷程度最深，说明双轴受压荷载对该混凝土的氯离子扩散系数影响最大。当X方向和Y方向的应力水平小于0.5时，混凝土的氯离子扩散系数随着双轴受压荷载的增加而减小。混凝土氯离子扩散系数的最小值(凹曲面的最低点)对应的X方向和Y方向的应力水平均约为0.5。当X方向和Y方向的应力水平超过0.5时，混凝土的氯离子扩散系数随着双轴受压荷载的增加而变大。当X方向和Y方向的应力水平达到约0.7时，混凝土的氯离子扩散系数进一步变大并接近于无荷载作用下的混凝土氯离子扩散系数。这可能因为混凝土的孔隙结构及其孔的连通性随着它遭受的双轴受压荷载的大小而变化[26]，进而影响了氯离子在混凝土中的传输性。当混凝土处于低应力水平时，混凝土中孔隙率随着荷载的增加而减小，导致氯离子扩散能力减弱；当混凝土的应力水平超过临界值(大约为0.5)时，混凝土中出现了新的裂纹，并发生体积膨胀，导致氯离子在混凝土中的扩散系数随着应力水平的增加而变大。在混凝土的应力水平足够大且接近极限强度时，宽度较大的裂纹对氯离子在混凝土中的扩散起到主导作用，而不是孔隙率占主导[27]。

表5 双轴受压荷载下混凝土的氯离子扩散系数Tab.5 Chloride Diffusion Coefficient in Concrete Under Biaxial Compression

图8 双轴受压下混凝土氯离子扩散系数随应力水平变化的等高线图(单位:10-12 m2·s-1)

3.3 混凝土中氯离子扩散系数随双轴受压应力水平变化的理论建模

根据表5中的试验数据，考虑双轴应力水平和再生骨料物理性能的影响，建立了再生混凝土氯离子扩散系数DRAC的理论模型。建立的理论模型如下

(1)

式中：Asop为再生骨料的吸水率；VR为再生骨料的体积分数；C为不同类型凝土无应力状态下的氯离子扩散系数。

考虑混凝土类型的待定系数，由表2和表3中试验数据得到的各参数值如表6所示。图9给出了RAC-1在荷载作用下的三维曲面理论模型，RAC-2，RAC-3的曲面理论模型与之类似。黑点代表本次试验基于不同应力比下的试验数据，曲面上空圆点是理论值。空圆点与黑点之间的误差线代表了该模型的误差水平。此外，本文基于线性回归，依次计算了RAC-1，RAC-2，RAC-3的判定系数R2，结果如表6所示。这表明该模型预测效果好。

4 结语

(1)再生混凝土氯离子扩散系数随着双轴压缩程度而变化。对于相同的应力比，随着双轴压应力水平的增加，再生混凝土氯离子扩散系数先逐渐降低再缓慢增加，并在应力水平约0.5时出现最小值。

表6 理论预测的参数值Tab.6 Parameter Values by Theoretical Prediction

图9 氯离子扩散系数试验值与理论预测值的对比(RAC-1)

(2)再生混凝土中老砂浆的孔隙率随着母体混凝土水灰比的增加而变大。对于相同的配合比、应力比和应力水平，再生混凝土的氯离子扩散系数受到母体混凝土性能的影响，并随着母体混凝土水灰比的增加而变大。

(3)通过理论公式可以较好地预测不同应力比、应力水平和不同再生骨料吸水率影响下再生混凝土的氯离子扩散系数。

(4)为了更准确地评估再生混凝土的耐久性，建议在结构设计中进一步考虑荷载对再生混凝土氯离子扩散系数的影响。